冰凍圈化學與氣候環境變化及人類活動

冰凍圈化學組分與人類活動和自然環境變化密切相關。在極少人類活動干擾狀態下，冰凍圈化學組分及其變化由自然環境過程所主導。然而，當人類活動深刻影響和改變自然環境的背景下，冰凍圈中化學成分及其變化則受到人類排放污染物的主導。冰凍圈化學組分的時空格局、遷移、轉化和歸趨等過程與氣候和環境產生直接關聯，很大程度上已重塑冰凍圈化學組分的生物地球化學循環規律。冰凍圈化學在氣候和環境變化研究中有諸多應用，起到了重要的支撐作用，本文僅列舉比較典型的研究例證。

 冰凍圈化學與氣候環境變化

冰凍圈環境介質如冰川是記錄全球氣候變化信息的重要載體，其化學記錄作為一種獨特的氣候變化代用資料，使冰凍圈化學廣泛應用于全球氣候變化研究之中，已取得一系列重要氣候變化發現。例如，20?世紀?50?年代研究人員發現高緯度冰凍圈地區降水中穩定同位素與氣溫之間存在顯著的正相關關系，正是這一發現，使氣候變化研究邁入新的里程。迄今已有大量冰芯氫氧穩定同位素歷史重建結果與近百年來器測資料研究結果相一致，表明全球氣候正在經歷快速變暖過程。

冰凍圈化學中氧及硫元素同位素的非質量分餾（MIF）效應在氣候環境變化研究中受到研究人員的極大關注，其在大氣（包括古大氣）的氧化能力及氧化過程、礦床成因、火山活動對氣候的影響，以及硫循環等研究中顯示出了強大的示蹤能力。近年來，MIF?效應也被成功應用到冰凍圈相關研究領域。通過分析格陵蘭冰蓋計劃?2（GISP2）深冰芯中硝酸鹽?δ¹⁷O?信號，重建了過去?10?萬年大氣氧化能力的變化情況，揭示了大氣（古大氣）氧化能力隨氣候變化的關鍵信息；通過對珠峰南坡墎其爾（Gokyo）湖泊沉積物中硫酸鹽?δ³³S?及?δ³⁶S?信號的分析，重建了過去?200?年珠峰地區硫循環歷史，進一步促進了人們對高海拔地區環境變化特征的認識。

此外，冰芯中粉塵及其他化學組分不但記錄干旱化等自然過程，而且能夠敏感地記錄大氣環流模態和強度的變化，在反映氣候系統演化方面具有獨特的優勢。全球冰凍圈區域冰芯中粉塵化學記錄反映出大氣粉塵荷載量和大氣環流等變化歷史異同。例如，冰芯粉塵記錄表明青藏高原中部和南部?20?世紀以來粉塵活動由于環流強度變化而呈現出減弱的趨勢。

 冰凍圈化學與人類活動

冰凍圈化學記錄就像是一部史書，記錄了不同時期雪冰的化學狀況，這為“解讀”過去的氣候和環境變化提供了基礎。工業革命以來，人類活動在加速改變社會發展歷史進程的同時，也給環境造成了巨大破壞，并逐漸成為影響環境中化學元素再分配的重要因素。化學污染物組分一般以很低的天然含量廣泛存在于自然界中，但人為排放污染物的增多已經造成了全球范圍的環境污染。冰凍圈主要處于偏遠地區，人口相對稀少且遠離工、農業排放源區，受人類活動直接干擾較小。因此，可以將人類釋放污染物在極地和山地冰川等冰凍圈環境中的變化過程，作為評價人類活動對大氣環境影響的代用指標。

冰川（冰蓋）和高山湖泊作為冰凍圈的重要組成部分，其化學成分主要來自大氣的干濕沉降，是大氣成分的天然檔案庫。與其他資料相比，冰川和高山湖泊的相關研究資料具有記錄連續、分辨率高、保真性強、沉積后變化微弱的優勢，能夠較為準確地記錄人類釋放污染物的變化歷史。

冰芯和冰凍圈高山湖泊化學記錄是解密人類排放污染物歷史變化的重要“指紋”。以重金屬汞（Hg）污染物為例，全球已有多支冰芯和湖芯歷史記錄研究。從圖?2?來看，自工業革命以來，全球冰凍圈區域大氣汞沉降均呈現快速上升的趨勢，與全球人類活動大量生產汞和快速釋放汞污染物密切相關。隨著人類的環境保護意識增強，近幾十年來歐洲和北美發達國家采取強力減排措施，這些地區的人類活動釋放的汞污染物也呈一定的下降趨勢（圖?2）。然而，亞洲地區阿爾泰山和各拉丹冬冰芯汞濃度在最近幾十年仍表現為顯著增加趨勢，這與亞洲快速的經濟和工業發展密切相關。研究表明，亞洲已成為人類活動汞排放的最重要的源區，約占全球總排放量的一半以上。

青藏高原冰芯和湖芯亦共同記錄了自工業革命以來尤其是二戰之后，大氣汞沉降通量快速增加；該記錄與南亞地區近期人為汞排放的增長相對應，揭示出南亞地區人為排放污染物是影響青藏高原大氣汞本底和沉降通量的主要原因。以上事實表明，人類活動釋放的污染物通過大氣傳輸對全球環境已產生了重要影響，因此冰凍圈成為評價人類活動污染程度和歷史變化的理想研究場所。通過冰凍圈介質忠實記錄的事實，可以警示各國政府應當嚴格管控和削減大氣污染物的排放。